超声波电机驱动电源的设计文档格式.docx

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1.2.1、超声波电动机对驱动电源的要求5

1.2.2、超声波电机电源的国内外发展现状5

1.3、本设计的特点6

2、整体设计6

2.1、整体设计要求6

2.2、整体设计框架6

3、各单元设计8

3.1、信号发生单元8

3.2、分频及移相单元10

3.2.1、采用双向移位寄存器40194构成移相电路10

3.2.2、采用D触发器构成分频移相电路10

3.3、功率放大单元12

3.4、12V直流供电单元15

3.5、显示单元16

4、仿真结果16

5、安装调试18

6、改进措施18

7、结束语19

8、致谢19

参考文献21

附录完整电路图22

1、绪论

超声电机是20世纪70年代发展起来的一种新型电机，以其不同于传统电磁电机的独特优势近年来得到迅猛发展。

它无磁极无绕组，不需要电磁之间的相互作用来转换能量，而是利用压电材料的逆压电效应实现机电能量转换，将电能转换为超声频率范围内的机械振动（频率≥20kHz），然后将定子的微观变形通过摩擦耦合放大为动子的宏观运动。

超声电机具有运行无噪音、大功率密度、不受磁场干扰、可断电自锁等特点，因此自问世以来发展迅速。

目前它已被成功应用于航空航天、微机电力系统、精密定位装置、汽车、照相机等领域，基于超声电机众多的优良性能，未来必将获得更加广泛的应用，极有可能取代部分微小型电磁电机。

因此，超声波电机驱动控制技术成为微电机领域研究的一个热点。

通过对本课题的研究，要求设计超声波电机的驱动电源，并达到两路电源电压的输出，输出电压可调，调节幅度为100--150V,且其频率可调，频率调节范围为100--15KHz，占空比也可调。

1.1、超声波电机

超声波电动机（UltrasonicMotor，简称USM）是近年来发展起来的一种全新概念的驱动装置，它利用压电材料的逆压电效应（即电致伸缩效应），把电能转换为弹性体的超声振动，并通过摩擦传动的方式转换成运动体的回转或直线运动。

这种新型电机一般工作于20kHz以上的频率，故称为超声波电动机。

它由定子（振动体）和转子（移动体）两部分组成，但电机中既没有线圈也没有永磁体，其定子由弹性体（Elasticbody）和压电陶瓷（Piezoelectricceramic）构成，转子为一个金属板。

定子和转子在压力作用下紧密接触，为了减少定、转子之间相对运动产生的磨损，通常在二者之间（在转子上）加一层摩擦材料。

1.1.1、超声波电机的工作原理

对极化后的压电陶瓷元件施加—定的高频交变电压，压电陶瓷随着高频电压的幅值变化而膨胀或收缩，从而在定子弹性体内激发出超声波振动，这种振动传递给与定子紧密接触的摩擦材料以驱动转子旋转。

1.1.2、超声波电机的特点

超声波电动机将电致伸缩、超声振动、波动原理这些毫不相干的概念与电机联系在一起，创造出一种完全新型的电动机。

（1）低速大转矩:

在超声波电机中，超声振动的振幅一般不超过几微米，振动速度只有几厘米每秒到几米每秒。

无滑动时转子的速度由振动速度决定，因此电机的转速一般很低，每分钟只有十几转到几百转。

由于定子和转子间靠摩擦力传动，若两者之间的压力足够大，转矩就很大。

（2）体积小、重量轻:

超声波电机不用线圈，也没有磁铁，结构相对简单，与普通电机相比，在输出转矩相同的情况下，可以做得更小、更轻、更薄。

（3）反应速度快，控制特性好:

超声波电动机靠摩擦力驱动，移动体的质量较轻，惯性小，响应速度快，起动和停止时间为毫秒量级。

因此它可以实现高精度的速度控制和位置控制。

4）无电磁干扰:

超声波电动机没有磁极，因此不受电磁感应影响。

同时，它对外界也不产生电磁干扰，特别适合强磁场下的工作环境。

在对EMI（电磁干扰）要求严格的环境下，采用超声波电机也很合适。

（5）停止时具有保持力矩:

超声波电动机的转子和定子总是紧密接触，切断电源后，由于静摩擦力的作用，不采用刹车装置仍有很大保持力矩，尤其适合宇航工业中失重环境下的运行。

（6）形式灵活，设计自由度大:

超声波电动机驱动力发生部分的结构可以根据需要灵活设计。

与电磁电机相比，超声波电动机的主要优点：

1）大力矩低转速，不需减速机构；

2）能量密度大，可达电磁电机的3～10倍；

3）响应速度快，仅ms量级；

4）定位精度高；

5）无电磁干扰；

6）因为靠摩擦驱动，具有自锁功能；

7）低噪声运行；

8）可在较苛刻的环境条件下工作等。

1.1.3、超声波电机的应用及前景展望

由于超声波电机的上述优点，自它问世以来发展迅速。

目前它已被成功应用于航空航天、微机电系统、精密控制领域、汽车专用电器、工业控制系统、超高精度测量仪器、办公自动化设备、智能机器人、照相机等领域。

日本Canon公司将超声波电机用于其EOS620/650自动聚焦单镜头反射式照相机中；

欧洲将超声波电机用于实验平台及微动设备，如1986年获Nobel物理学奖的扫描隧道显微镜（STM）；

美国在宇宙飞船、火星探测器、导弹、核弹头等航空航天工程中也都陆续应用了超声波电动机。

如NASA将超声电机用于空间机器人技术：

CoddarSpaceF-lightCenter将超声电机应用于空间机器人技术。

其中微型机器手MicroArmI使用了具有力矩0.05Nm的超声电机。

火星机器手MarsArmII使用了3个具有力矩为0.68Nm和一个具有0.11Nm的超声电机。

在我国，以下一些领域中能够较快推广应用：

1）航空航天领域将应用超声波电机。

如纳米卫星、微型飞机、宇宙飞船和空间探测器等，应用超声波电机，可以减少其重量，增强其可控性；

2）车辆用电机，例如目前头靠电机市场上基本没有，超声波电机在此方面应用将大有作为。

未来豪华轿车上的电机之多可达80个，使汽车体积增加，电磁干扰增强。

应用超声波电机，由于不需齿轮箱从而大大降低其体积，由于超声波电机不产生磁场而使汽车的电磁兼容性得到大大改善。

汽车上的中央门锁、门窗玻璃的升降，前视镜和雨刮器等，均可用超声波电机来代替传统的电磁电机

3）机器人用电机，超声波电机可以使机器人和微型机械简化结构，减轻重量，增强其可控性。

随着超声波电机的微型化，微型机械可进入人体，如作为人造心脏的驱动器，它将会大大推动人造器官的产业化进程。

目前医疗机器人中超声波电机已有实际应用；

4）保健电器产品用电机，超声波电机的断电自锁和静音特点很适合应用在此方面；

5）精密控制用电机，由于超声波电机的位置控制精度很高，可达微米级甚至纳米级；

6）其他民用电机，例如电动窗帘、电动窗墙等应用会进入千家万户；

在21世纪，为了发展，我国人造卫星、导弹、火箭、飞机、机器人、微型机械、汽车、磁浮列车以及其他精密仪器，将需要大量的、高性能的超声波电机。

超声波电机技术的发展，必将对我国国防和其他国民经济各部门起着重大作用。

例如：

21世纪，航空航天是我国重点发展的领域之一。

从国外的应用的情况看，它必将应用超声波电机。

机器人和微型机械，也是我国21世纪重点发展的领域之一。

超声波电机可以使机器人和微型机械简化结构，减轻重量，增强其可控性。

随着超声波电机的微型化，微型机械可进入人体，如作为人造心脏的驱动器，它将会大大推动人造器官的产业化进程；

21世纪，我国将要大力发展磁浮列车。

磁浮列车上的强磁场干扰，使得在磁浮列车上的传统的电磁电机工作失效，超声波电机将大有可为；

应用超声波电机，由于不需齿轮箱从而大大降低其体积；

由于超声波电机不产生磁场而使汽车的电磁兼容性得到大大改善。

汽车上的中央门锁、门窗玻璃的升降，前视镜和雨刮器等，均可用超声波电机来代替传统的电磁电机；

随着掌上计算机，可视电话电视、手提式仪器等的发展，微型超声波电机将可得到广泛应用。

超声波电机将使这些微型仪器降低重量和体积，减少其能量损耗；

由于超声波电机的位置控制精度很高，可达微米级甚至纳米级。

超声波电机将会在一些精密仪器、医疗设备以及半导体制造技术中得到广泛应用。

由于超声电机众多的优良性能，未来必将获得更加广泛的应用，极有可能取代部分微、小型电磁电机。

因此，超声波电机驱动控制技术成为微电机领域研究的一个热点。

1.2、超声波电机电源

超声波电源通常称为超声波发生源，超声波发生器。

它的作用是把电能转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号。

从放大电路形式，可以采用线性放大电路和开关电源电路，大功率超声波电源从转换效率方面考虑一般采用开关电源的电路形式。

线性电源也有它特有的应用范围，它的优点是可以不严格要求电路匹配，允许工作频率连续快速变化。

从目前超声业界的情况看，超声波主要分为自激式和它激式电源。

1.2.1、超声波电动机对驱动电源的要求

超声波电动机的主要工作特点是给其施加两相相位互差一定角度的交流电压，利用压电陶瓷的逆压电效应，使压电陶瓷发生谐振并带动定子环一起振动，再通过定、转子之间的摩擦力驱动转子旋转或滑块直线运动。

在电激励下，超声波电动机定子表面形成周向行波或驻波。

对于超声波电动机的两组通以互差一定相移的交流电，且当该相位差为某一角度时输出转矩达到最大值。

对行波型两个激励源要求相差π/2，但对驻波型超声波电动机而言（特别是纵扭复合型），由于纵扭振子在夹心定子中的位置不同，纵扭振动传播速度不同，很难通过计算得到纵扭振子驱动信号相位，以保证定子表面质点纵扭振动所需的相位差，只能通过测试方法得到，所以超声波电源的两路输出驱动信号应能够在0--180°

范围内连续可调。

由于超声波电动机是在谐振状态下工作的，不同的超声波电动机，其谐振频率不同。

即使是同一超声波电动机，谐振点也不止一个；

另一方面，随着温度的变化，其谐振频率本身也会跟着变化。

一般超声波电动机的谐振频率在20--100kHz之间，故超声波电动机电源的频率输出要求20--100kHz，且两相连续可调。

另外，从定转子接触面的角度分析，两路驱动电压必须可调节。

纵上所述，超声波电动机对驱动电源的要求如下：

（1）两路驱动信号相位0--180°

连续可调；

（2）两路驱动信号可反向调节，以改变转向；

（3）频率输出20--100kHz内可调；

（4）因驱动对象超声波电动机为容性负载，故要实现阻抗匹配；

（5）具有频率、相位自动跟踪功能；

（6）两路驱动电压可调。

1.2.2、超声波电机电源的国内外发展现状

要驱动超声波电机，压电陶瓷就需要由大振幅的高频正弦电压来激励。

目前实现方法有两种：

一种是采用正弦波信号直接放大输入超声波电机，但放大器需要高电压供电，结构复杂，驱动电源效率低，而且就驱动超声波电机而言，前级的正弦波也没有必要；

另一种是利用变压器来实现电压升压、能量传递、阻抗匹配和电源隔离，这种方法目前在行波型超声波电机中使用比较广泛，但变压器必须与不同型号的超声波电机匹配，通用性差，而且变压器的存在极大地阻碍了电源装置的小型化，影响超声波电机在特定场合的应用和产品开发。

当产品要求体积小、重量轻（如照相机、便携设备等）时，使用变压器的超声波电机驱动控制装置几乎是不可能的。

基于超声波电机的特性，还可以利用电路谐振实现无变压器驱动超声波电机，解决了这一工程问题。

1.3、本设计的特点

本文提出的技术方案结构简单、成本低廉，可方便地实现驱动信号的调频、调压和调相及其占空比，能够驱动超声电机平稳、可靠地运行，可直接用市电为其供电，且其正常工作时可显示为其供电的电源的电压和电流。

2、整体设计

2.1、整体设计要求

本设计要求设计一超声波电机驱动电源，其输出为正弦波，其输出幅度和频率均可调，幅度调节范围位100V--150V，频率调节范围为100--15KHz。

2.2、整体设计框架

根据超声波电机的工作原理，其驱动与控制的一般电路框图如下图1所示：

图1USM频率控制的的驱动与控制电路框图

本文根据超声电机的驱动机理设计了一种结构简单，成本低廉，性能稳定的驱动电路，其原理框图如图2所示。

图2　超声电机驱动电源的原理图

整个系统的电源供电的框图如下图3所示：

图3系统电源供电框图

3、各单元设计

3.1、信号发生单元

信号发生单元主要功能是产生时钟频率，并根据超声电机所要求的工作状况使电源工作频率可调。

利用压控振荡器产生方波的信号源，具有频率调节范围宽、分辨率高的特点。

可以采用NE555或LM555定时器构成的多谐压控振荡器作为信号发生器

电路图分别图图4，图5所示：

图4NE555构成的信号发生器电路

图5LM555构成的信号发生器电路

对图4,设其输出高电平时间为T1,低电平时间为T2,则：

T1=0.7（R1+R2）*C2

（1）

T2=0.7R1*C2

（2）

周期T0为

T0=T1+T2=0.7（2*R1+R2）（3）

时钟频率f3为

f3=1/T0=1/[0.7*（R2+2*R1）*C2]（4）

波形占空比D3为

D3=T1/T0=（R1+R2）/（R2+2R1）（5）

根据式（4）、（5），通过调整R1和R2的值就可以得到相应的与超声波电机自然振动频率相一致的电源振荡频率和占空比。

对图5，采用类似的分析方法可得其输出频率f4，波形占空比D4分别为：

f4=1/[0.7*C12（R22+2*（R21+R23））]（6）

D4=（R21+R22+R23）/（R22+2*（R21+R23））（7）

根据（6）、（7）两式，通过调节滑动变阻器R21即可改变输出信号的频率和波形的占空比。

本文采用LM555定时器构成的多谐压控振荡器作为信号发生器，谐振电路的电容可根据工作范围选择固定式，通过调节电阻的大小即可实现改变频率。

3.2、分频及移相单元

3.2.1、采用双向移位寄存器40194构成移相电路

移相电路如图5所示，振荡器的输出频率作为双向移位寄存器40194的输入时钟。

开关SW1实现正反转控制。

驱动电路启动时SW1悬空，40194的S0和S1端为高电平，40194芯片将输入端D0--D3的电平信号装载到的输出端Q0--Q3，则G0--G3的逻辑电平分别为1000。

当电机需正向转动时，开关接通S0端，在时钟信号的每个上升沿，移位寄存器的值向右移位，低位Q0值成为SR端口值，即前一个时钟的Q3值。

G0--G3作为推挽功放电路的输入，电机A相激励信号超前于B相激励信号90°

，电机正转。

图640194构成移相电路

当电机需反向转动时，开关接通S1端，在时钟信号的每个上升沿，移位寄存器的值向左移位，高位Q3值成为SL端口值，即前一个时钟的Q0值。

G0--G3作为推挽功放电路的输入，电机A相激励信号将超滞后B相激励信号90°

，电机反转。

3.2.2、采用D触发器构成分频移相电路

电路如图7所示：

图7D触发器和LM393构成的分频移相电路（A相）

来自555的时钟信号通过双D触发器74LS74分成A、B两路，实现二分频，在B相微分电路前端接入逻辑器件实现反相，使二者相位差为90°

，然后由微分电路和比较器作施密特整形。

仅以A路信号为例进行分析，B路与A路相同。

A相电路工作过程为:

Q处的脉冲信号通过R1、R2和C1组成的微分电路形成锯微分脉冲加至Ain+，输入电压比较器1/2LM393的同相端，反相端接电位器，通过调节电位器的大小改变反相端的输入电压，与Ain+比较后形成占空比可调的A+信号。

同时另外1/2LM393形成A-信号。

同样B相电路也会形成B+和B-信号，通过调节电位器VR，便可实现相位微调。

因超声波电机只需两相驱动相差90°

，本文采用只用D触发器74LS74实现二分频后，在用一片74LS74进行四分频，在B相四分频前接入逻辑器件实现反相，使A、B两相相位相差90°

，本文采用NPN型三极管构成的共射级放大器实现A、B反相，并可补偿被衰减的信号。

分频移相电路如下图8所示：

图8分频移相电路

3.3、功率放大单元

驱动电路可用推挽型变换电路、半桥变换电路、全桥变换电路三种常用电路。

电压驱动型功率场效应管的静态输入电阻大，需要的驱动功率较小。

由于超声波电机通常作为伺服电机用于汽车系统、自动控制领域内，其驱动器往往选用低压直流源供电，推挽型方式比较合适。

超声波电机电源的功率放大电路一般采用互补推挽功率放大电路，电路由两个互相对称的推挽放大器构成，功率MOS-FT是压控型器件，栅极输入相对简单。

相应与图6、7两个分频移相电路的功率放大的电路分别如图9、图10所示。

图9相应与40194的功放电路

图中G0与G2为电机A相驱动信号，G1与G3为电机B相驱动信号。

以MOSFET管Q9为例，其栅源间的驱动电路由晶体管Q7、Q8组成的推挽电路构成。

该电路可以很好的解决栅源间电容的充放电问题。

在该电路中功率管选用IRF530，它的漏源极击穿电压VDSS最小为100V，源极连续电流IS可到14A,内阻RDS（on）为0.16Ω，各项指标均满足驱动要求。

逆变电路的高频变压器铁芯主要采用软磁铁氧体等高频低损耗材料。

超声波电机电源的高频变压器主要考虑工作电压波形、磁通密度的变化范围、传递功率等。

图10相应于D触发器的功放电路（A相）

图中A+和A-分别经NPN型和PNP型三极管进行推挽式放大，构成栅极驱动电路，驱动场效应管IRF630，所有晶体管和场效应管均工作在开关状态，交替导通、截止。

输出信号的幅度调节也在功放部分实现，通过改变电位器的大小调整加在开关管漏极上的供电电压（也是变压器的原边电压），继而达到在输出端调幅的目的。

场效应管与变压器进行耦合，串联上电感，构成谐振回路。

变压器在电源中起着非常重要的作用，其性能好坏直接决定着电路工作是否可靠，为降低损耗，减小体积，电源选用高磁通密度的材料作铁芯，综合考虑各种因素，其中所绕制的变压器初次级匝数比为1:

12。

超声电机是一种容性器件，为了产生谐振，必须使变压器的电感与串联电感之和能与电机的固有电容相匹配。

为获得较大输出力矩超声电机的驱动电源应工作在某一最佳频率上，该驱动频率由电机定子的谐振频率决定（最佳频率一般取谐振频率的0.9倍），因为如果使电源工作在谐振点上，则会由于输入电流过大，导致电机发热严重，影响其寿命，能量转化效率也会降低，所以电机应工作在最佳频率点。

B相的功率放大单元与A相相同。

本文采用的功放电路如图11所示。

图11功放电路（A相）

3.4、12V直流供电单元

12V电源供电采用集成芯片L7812，其稳定输出12V。

市电经变压器和整流二极管后送入L7812，其输出端即可得到12V的电压。

电路如下图所示：

图1212V直流供电电路

3.5、显示单元

本电路显示采用集成芯片ICL7107，它是一低功耗的31/2的A/D转换器，内部包括7个部分解码器，显示驱动器，一个参考和一个时钟。

其引脚图和典型应用电路分别如下两图所示：

图13ICL7107引脚图

图14　ICL典型应用电路

4、仿真结果

用Proteus对A相信号的电路（图15）进行仿真，Q,-Q,A+,A-各点的波形分别如下图所示：

图15A相信号原理图

图16各点的仿真波形

由上图可以看出，各点波形基本正确，因后面的晶振和超声波电机的晶振有点区别，所以波形均有点失真。

A+信号和A-信号经初次级匝数比大于1：

10的小型变压器和电感后，即可得到符合要求的正弦波输出信号。

调节RV1即可调节其幅度，幅度为100V--150V，调节滑动变阻器R21，即可调节输出信号的占空比和频率，频率调节范围为7--470KHz，满足要求。

5、安装调试

根据上述电路原理，印制电路板，并进行安装调试，取得较好效果。

电机运行平稳，性能良好。

A、B两相信号电压幅值均可调，幅度为100V--150V,频率也可调，调节范围为10--450KHz。

它们相位差为90°

。

A，B两相输出信号波形如下图所示：

图17电源输出波形

6、改进措施

从上述分析可知，本文设计的电源输出信号的频率和占空比均可调节。

但他们均都是大致调节，不够精确，且占空比的调节范围比较窄，大概在50%--66%。

若用单片机等微控制器实现，则可精确控制。

如采用飞思卡尔公司的HCS12DG128控制器的P口做PWM输出，则可通过软件编程改变其的PWM通道占空比寄存器PWMMDYTYx和PWM通道周期寄存器PWMPERx的值，从而改变其输出波形的占空比和周期。

另外，若采用此方案，还可省略分频电路，进而简化了电路。

7、结束语

紧张而又繁忙的毕业设计过去了，通过这次设计的实习中,使我受益匪浅。

这次实训，使我真正的意识到自己对一些相关知识的缺乏以及动手能力的欠缺。

没有实践，再好的理论也没有用。

毕业设计最重要的一个方面就是要认真，需要我认真对待一切；

其次是